3. ЗАКАЛКА

    Закалка применяется для придания стали наивысшей твердости. Сталь, нагретая выше верхней критической точки, будет иметь структуру аустенита, в котором находится в растворенном состоянии углерод.

    При медленном остывании ниже 723° С аустенит превращается в перлит — эвтектоидную смесь цементита с ферритом. В этой структуре частицы цементита сравнительно уже велики. Если углеродистую сталь, имеющую температуру выше верхней критической точки, быстро охладить, т. е. закалить, то аустенит не успеет превратиться в перлит и, переохладившись примерно до 200° С, перейдет в новую структуру — мартенсит, который имеет твердость по Роквеллу R_c = 60 — 64, тогда как перлит имеет твердость до R_c — 24.

    Мартенсит хорошо сопротивляется истиранию. В простых углеродистых сталях при нагреве выше 200°С — мартенсит начинает распадаться и переходить в следующую структуру — троостит.

    Структура мартенсит неустойчива, при нагреве выше 200° С стремится перейти в более устойчивую структуру — троостит-сорбит и, наконец, при температуре выше 720° С — в самую устойчивую структуру — перлит.

    Если нужно сохранить мартенсит в закаленной углеродистой стали, то отпуск следует делать при температуре не выше 200 — 220°С.

    Необходимо отметить, что мартенсит после отпуска обладает лучшими свойствами, чем мартенсит неотпущенный, вследствие чего деталь делается более упругой и менее склонной к короблению при естественном старении. Кроме того, мартенсит отпуска имеет несколько больший удельный обьем, чем мартенсит закала.

    Этим пользуются в практике для исправления изношенного инструмента кольцеобразной формы. Например, если деталь кольцеобразной формы, закаленная на мартенсит, имеет размер отверстия больше на 0,005—0,01 мм против номинального размера, то повторным отпуском на 200—220° С (соломенный цвет побежалости) можно уменьшить диаметр отверстия за счет превращения мартенсита закала в мартенсит отпуска, увеличив объем детали. Мартенсит закала углеродистых сталей, в свою очередь, имеет больший удельный объем против первоначальной структуры перлита приблизительно на 1°/0. Это значит, что деталь после закалки на мартенсит увеличивается в объеме почти на 1% (для разных углеродистых сталей и различных способов термической обработки увеличение объема различно, но не выше 1%).

    Поэтому детали кольцеобразной формы из углеродистой стали после закалки на мартенсит изменяют размеры: диаметр отверстия уменьшается, общий объем детали увеличивается.

    Увеличение объема при закалке сказывается также на короблении детали и возникновении термических напряжений. При закалке в первую очередь остывают поверхностные слои детали (углы, шейки, выточки), а затем уже более глубокие слои металла. Более глубокие слои металла, остывая, фиксируют структуру мартенсита, удельный объем которого больший, чем удельный объем аустенита и перлита, но увеличенному объему некуда расширяться, потому что поверхностные слои уже затвердели и, в свою очередь, создали давление (за счет расширения) на внутренние слои. В результате этого создаются большие внутренние напряжения в металле, которые не только являются причиной коробления детали, но и часто образуют трещины или совсем разрывают на несколько частей закаленную деталь. Эти явления наблюдаются особенно тогда, когда первоначальная структура до закалки — перлит был грубопластинчатый, а свободный цементит (в стали, содержащей углерода более 0,8%) был в виде сетки и перед закалкой не исправили эти структуры.

    В легированных сталях, в отличие от углеродистых сталей, аустенит при остывании стали от закалочной температурьте требует столь быстрого охлаждения для превращения в мартенсит. И чем болыш содержится в стали специальных примесей (вольфрама, ванадия, никеля, хрома и т. д.), тем при более медленном охлаждении происходит этот переход. Этим и объясняется, что в специальной стали (при одинаковом содержании углерода по сравнению с углеродистой сталью) при охлаждении в более слабой охлаждающей среде, чем вода (например, минеральное масло), мартенситовая структура фиксируется на большую глубину, чем в углеродистой стали при закалке в воде.

    В углеродистой стали мартенситовая структура может быть зафиксирована на глубину не более 8 — 12 мм, а в более глубоких слоях успевают образоваться последующие структуры — троостит, сорбит, а при большом сечении в сердцевине образуется первоначальная структура до закалки — перлит, так как скорость остывания сердцевины была достаточна для образования структуры перлита.

    Таким образом, более медленный переход аустенита в мартенсит в специальных сталях создает условия более равномерного (во времени) перехода структур как на поверхности, так и в глубоких слоях детали). Внутренняя теплота детали не дает возможности быстро остыть поверхностным слоям, а скорость отдачи тепла этими слоями охлаждающей среде — маслу также не велика.

    В результате этого термические напряжения в специальной стали в несколько раз меньше, чем в углеродистой стали, а следовательно, и коробление детали будет меньше. Кроме этого, в специальных сталях с высоким содержанием специальных примесей (например, быстрорежущая сталь марки Р18) аустенит даже при остывании на воздухе не успевает переходить в мартенсит и 15 — 20% его остается после полного охлаждения стали при закалке. Но аустенит имеет удельный объем меньший, чем объем первоначальной структуры до нагрева — ферлита, и благодаря этому частичное увеличение объема детали при закалке от образовавшегося мартенсита уменьшается за счет оставшегося (остаточного) аустенита.

    Под закалку специальные стали нагревают до более высокой температуры, чем углеродистые, так как переход в твердый раствор — аустенит в специальных сталях происходит в более широком диапазоне температур. Кроме этого, специальные стали не в такой степени чувствительны к перегреву, как углеродистые стали, и рост зерна при длительной выдержке при температуре закалки в легированных сталях в несколько раз медленней, чем в углеродистой стали.

    Если температура закалки стали марок У10 и У12 — 760 — 770° С, то для легированных сталей она колеблется от 800 до 900° С, а для специальных сталей марок Р18 и Р9 достигает 1250 — 1300° С.

    Распад мартенсита после закалки при отпуске в специальных сталях также начинается при более высоких температурах, чем в углеродистых сталях, и колеблется от 300 до 700° С.

    В стали Р18 мартенсит начинает переходить в троостит только при температуре 650 — 680° С, поэтому эта сталь подвергается отпуску при температуре 550 °С. Быстрорежущую сталь подвергают отпуску не только для устранения напряжений, но и для увеличения твердости за счет перехода остаточного аустенита в мартенсит. Выше было указано, что в быстрорежущей стали 15 — 20% аустенита не успевает перейти при закалке в мартенсит, в результате этого твердость стали после закалки получается R_c = 56 — 60 и стойкость режущего инструмента невысокая (режущая кромка будет быстро притупляться).

    Если нагреть такой инструмент после закалки на 520 — 560° С и дать выдержку при этой температуре 1 — 2 часа, то часть остаточного аустенита перейдет в мартенсит. Если повторить такой отпуск 2 — 3 раза, то каждый раз часть аустенита будет переходить в мартенсит. В результате повторного отпуска количество мартенсита увеличится и твердость инструмента поднимется до R_c = 61 — 64.

    Таким образом, мы видим, что мартенсит в специальных сталях более устойчив, чем в углеродистых сталях. Вместе с тем он более прочный, более упругий и менее хрупкий благодаря наличию специальных примесей.

    Как указывалось, мартенсит при определенной температуре начинает переходить в структуру троостит.

    Троостит представляет собой переходную структуру. Твердость троостита R_c = 40 — 50, а вязкость выше, чем у мартенсита. Если мы хотим получить троостит при отпуске путем распада мартенсита, то такой переход происходит в диапазоне температур 220 — 320° С для углеродистых сталей и 300 — 700° С для специальных сталей.

    Если подвергнуть сталь, закаленную на мартенсит, отпуску при более высокой температуре (для углеродистой, хромистой и хромоникелевой стали 500 — 550° С), троостит перейдет в следующую структуру — сорбит. Эта структура является лучшей структурой для деталей, работающих на кручение и разрыв (шатунные болты двигателей, растяжки и т. д.).

    Твердость сорбита R_c = 31 — 40. Сопротивление скручиванию к разрыву значительно выше, чем в любой другой структуре. В изломе деталь, обработанная на сорбит отпуска, имеет ярко выраженное волокнистое строение.

    Закалка крупных заготовок или деталей (имеющих сечение более 120 мм) из углеродистой стали практически не улучшает механических свойств и является экономически не выгодной. При таких сечениях следует применять специальные стали, так как они воспринимают глубокую прокаливаемость и более прочны в связи с наличием специальных примесей.